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航天员出舱可伸缩安全系绳设计与验证

孙启臣 姜坤 王海亮 张子岚 秦俊杰 王露斯

孙启臣, 姜坤, 王海亮, 等 . 航天员出舱可伸缩安全系绳设计与验证[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(7): 1353-1361. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0184
引用本文: 孙启臣, 姜坤, 王海亮, 等 . 航天员出舱可伸缩安全系绳设计与验证[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(7): 1353-1361. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0184
SUN Qichen, JIANG Kun, WANG Hailiang, et al. Design and verification of an adjustable length safety tether for astronaut extravehicular activities[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(7): 1353-1361. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0184(in Chinese)
Citation: SUN Qichen, JIANG Kun, WANG Hailiang, et al. Design and verification of an adjustable length safety tether for astronaut extravehicular activities[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(7): 1353-1361. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0184(in Chinese)

航天员出舱可伸缩安全系绳设计与验证

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0184
详细信息
    通讯作者:

    王露斯. E-mail: 335808408@qq.com

  • 中图分类号: V476.1

Design and verification of an adjustable length safety tether for astronaut extravehicular activities

More Information
  • 摘要:

    随着中国神舟飞船系列任务和空间站建设任务的稳步进行,中国航天员将面临频繁的在轨出舱作业任务,航天员出舱活动范围将逐渐增大,作业位置也将频繁变换,传统安全绳已无法满足使用要求。提出了一种基于恒力矩弹簧驱动的航天员出舱可伸缩安全系绳设计方案,并优化设计方法。对可伸缩安全系绳的核心部分——驱动单元进行设计,研制航天员出舱可伸缩安全系绳样机,并完成功能性能、环境适应性和驱动单元寿命试验验证。结果表明:所提方案可顺利完成钢丝绳收放,且实测收绳力、放绳力与理论值基本吻合。方案具有体积小、质量轻、可耐大量级振动和高低温环境等优点,其驱动单元满足10 000次的长寿命使用要求,可用于后续工程产品中。

     

  • 图 1  可伸缩安全系绳构型

    Figure 1.  Prototype of adjustable length safety tether configuration

    图 2  可伸缩安全系绳工作原理

    Figure 2.  Operating principle of adjustable length safety tether

    图 3  恒力矩弹簧原理

    Figure 3.  Principle of constant torque spring

    图 4  恒力矩弹簧设计流程

    Figure 4.  Constant torque spring design flow

    图 5  前六阶振型分析结果

    Figure 5.  Analysis results of the first six modes

    图 6  各零部件应力分布

    Figure 6.  Stress distribution of each component

    图 7  可伸缩安全系绳原理样机实物图

    Figure 7.  Schematic diagram of principle prototype of adjustable length safety tether

    图 8  各模式下性能曲线

    Figure 8.  Performance curves in various modes

    图 9  正弦、随机振动试验

    Figure 9.  Sinusoidal, random vibration test

    图 10  力学试验前后收绳力和拉绳力测试结果

    Figure 10.  Test results of rope pulling force and rope pulling force before and after mechanical test

    图 11  热循环试验

    Figure 11.  Thermal cycle test

    图 12  热循环试验高温工况下收绳力和拉绳力测试结果

    Figure 12.  Test results of rope pulling force and rope pulling force under high temperature condition in thermal cycle test

    图 13  热循环试验低温工况下收绳力和拉绳力测试结果

    Figure 13.  Test results of retracting force and retracting force under low temperature conditions in thermal cycle test

    图 14  寿命试验系统组成

    Figure 14.  Composition of life test system

    图 15  恒力矩弹簧寿命试验曲线

    Figure 15.  Life test curves of constant torque spring

    表  1  恒力矩弹簧设计参数

    Table  1.   Design parameters of constant torque spring

    参数 数值
    输出卷筒直径/mm 80
    弹簧自由状态下的内径/mm 44
    弹簧厚度/mm 0.25
    弹簧宽度/mm 16
    第1圈输出力矩/(N·m) 0.393
    第45圈输出力矩/(N·m) 0.428
    输入卷筒直径/mm 46
    卷筒中心距/mm 116
    弹簧工作应力/ MPa 1 544~1 672
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    表  2  部分参数实测值

    Table  2.   Measured values of some parameters

    参数 数值
    卷绳筒卷绕直径/mm 第1~3圈 75
    第4~9圈 80
    第10~15圈 85
    第16~21圈 90
    第22~27圈 96
    第28~33圈 101
    第34~38圈 106
    滑轮平均阻力/N 1.32
    绳口平均阻力/N 0.85
    棘轮平均阻力/N 1.13
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    表  3  收绳力、拉绳力理论值

    Table  3.   Theoretical values of rope pulling force and rope pulling force

    拉出绳长/m 弹簧工作圈数 卷绳筒卷绕直径/mm “收放”模式收绳力/N “收放”模式拉绳力/N “只放”模式拉绳力/N
    1.1 5 0.106 5.3 9.7 10.8
    1.9 8 0.101 5.7 10.1 11.2
    3.0 12 0.096 6.2 10.5 11.7
    4.1 16 0.096 6.3 10.6 11.7
    5.1 20 0.09 6.9 11.2 12.4
    5.9 23 0.09 6.9 11.3 12.4
    7.0 27 0.085 7.6 11.9 13.0
    8.1 31 0.08 8.2 12.6 13.7
    8.9 34 0.08 8.3 12.6 13.8
    10.0 38 0.075 9.1 13.4 14.6
      注:随拉出钢丝绳长度增加,弹簧工作圈数增加,卷绳筒卷绕直径减小,因此收绳力与拉绳力会发生变化。
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    表  4  正弦振动试验条件

    Table  4.   Sinusoidal vibration test conditions

    频率范围/Hz 幅值
    验收级 鉴定级
    4~10 14.7 mm 22 mm
    10~17 3.6 g 5.4 g
    17~60 8 g 12 g
    60~100 3.8 g 5.6 g
    加载扫描率 4 oct/min 2 oct/min
    加载方向 3个轴向
      注:oct为倍频程。
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    表  5  随机振动试验条件

    Table  5.   Random vibration test conditions

    频率范围/Hz 鉴定级 验收级
    10~50 3 dB/oct 3 dB/oct
    50~300 0.25 g2/Hz 0.1 g2/Hz
    300~2 000 -12 dB/oct
    总均方根加速度(grms) 9.68 6.11
    加载时间(s·轴-1) 120 60
    加载方向 3个轴向
      注:g为重力加速度,rms为均方根。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-14
  • 录用日期:  2020-07-18
  • 网络出版日期:  2021-07-20

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